Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на современные сине-зеленые водоросли. С их появлением атмосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3миллиарда лет назад.
Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образовался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Молекулярный азот явился источником азота в современной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению сульфатных осадков — гипсов.
Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1 % от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании перешли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При этом способе дыхания высвобождается значительно больше энергии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начинает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультрафиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.
Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Примерно 600 миллионов лет назад оно составляло десятую часть от нынешнего. Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. И действительно, примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было и больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обязательно вызовет изменение количества углекислого газа.
Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции железа. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кислорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раза больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Но этот рост замедлился по сравнению с первыми этапами. Это привело к затоплению срединно-океа-нических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были открыты только во второй половине нашего столетия.
На суше в это время происходили разительные перемены благодаря появлению растительности. Это существенно изменило отражательные свойства суши, а также режим увлажнения. Изменился характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По-другому стали протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.
Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась.
Так в конце концов сформировалась климатическая система. Очень большую роль в этом сыграл фактор жизни. Об этом свидетельствуют такие данные. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6–7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возобновлялся не менее одного миллиона раз.
В наше время растения нуждаются в углекислом газе и воде, которые должны быть в достаточном количестве на поверхности планеты. Но этого мало. Для того чтобы растения жили, необходимо, чтобы температура окружающей среды была постоянной, а точнее, менялась не очень сильно. Ученые говорят, что колебания температуры должны находиться в узких пределах. Кроме того, растения надо защитить от губительного действия коротковолнового излучения Солнца. Защиту растений от этих излучений обеспечивают особые атмосферные газы, и прежде всего озон. Установлено, что активная жизнь ограничена температурами между точкой замерзания воды (0 °C) и +60 °C. Только на короткие промежутки времени температура окружающей среды может выйти за указанные пределы.
Живые организмы очень эффективно защищаются от сильных и резких изменений температуры воздуха, воды и вообще окружающей среды. У них имеются различные приспособления для поддержания температуры их тела выше или ниже температуры окружающей среды. Так, у бактерий и простейших, которые умудряются жить в горячих источниках, полный жизненный цикл совершается в воде при температуре, приближающейся к температуре кипения воды (+90 °C). При этом надо помнить, что +90 °C в воде значительно «горячее», чем воздух при этой же температуре. Это потому, что теплоемкость воды немного больше, чем теплоемкость воздуха. По этой же причине вы обжигаетесь, когда берете в руку горячий металлический прут, и не можете обжечься деревянным прутом, даже нагретым или горящим на другом конце.
Те формы жизни, которые не содержат воды или содержат ее очень мало, очень хорошо приспособлены к высоким температурам. Так, некоторые сухие споры и семена могут выносить температуру +120 °C в продолжение многих часов. Ведь, в сущности, опасна не сама высокая температура, а ее влияние на жидкую воду, поскольку вода может превратиться в лед или пар. Это превращение зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления. Но это не значит, что жизнь сохраняется вплоть до температуры кипения. Большая часть углеводов и белков разрушается задолго до того, как температура повышается до точки кипения воды. Ясно, что устойчивость жизни по отношению к высоким температурам ограничена.
Действие холода на живые организмы менее губительно. Холод замедляет ход реакций и поэтому на активную жизнь действует губительно. Но при этом органические соединения не разрушаются. Более того, они в условиях холода становятся более устойчивыми. Известно, что при определенных условиях живые ткани можно заморозить до твердого состояния. После этого путем нагревания их можно вернуть к жизни.
Холод плохо действует на клетки по двум основным причинам. Во-первых, образуются кристаллы льда, которые повреждают стенки клеток. Во-вторых, при низких температурах увеличивается концентрация кислот (или щелочей) в той части клеточной воды, которая осталась незамерзшей. Но если ввести органический растворитель с низкой температурой замерзания, то этого можно избежать. Таким растворителем может быть глицерин. Он частично замещает замерзающую воду. Так поступают при искусственном охлаждении. Любопытно, что некоторые растения сами прибегают к этому способу при борьбе с холодом.
Очень важно, что при понижении температуры до 0 °C не вся вода замерзает. Часть воды (в коллоидах), которая в этих условиях не замерзает, специалисты называют «связанной водой». Было установлено, что при быстром охлаждении коллоидного раствора желатина даже при температуре –30 °C остается незамерзшей от 0,7 до 4,67 грамма воды на 1 грамм желатина. В этих же опытах было установлено, что в сухом силикагеле при — 10 °C остается незамерзшей 55 % воды. Опыты показали, что маленькие капли воды можно переохладить до температуры –72 °C и они при этом не замерзнут. В этом особая роль коллоидов. Ведь их присутствие замедляет или вообще подавляет образование кристаллов. Это спасает жизнь от гибели. Так, в листьях зимнезеленого растения Pyrola rotundifolia зимой вода не замерзала нисколько, а температура воздуха в это время достигала –32 °C. А низкорослая трава Cochlearia arctica, которая растет на берегах Ледовитого океана, может спокойно переносить мороз до — 46 °C.
В ходе опытов водоросли, мхи и лишайники на несколько недель погружали в жидкий воздух. Это температура — 193 °C. И даже в этих условиях растения оставались невредимыми. Эти же растения в сухом состоянии выдерживали такую низкую температуру годами. Еще более выносливы к действию холода споры. В сухом состоянии они сохраняют жизнеспособность после воздействия вакуума и погружения в жидкий гелий, температура которого близка к абсолютному нулю (–273,15 °C).
